Variator de Tensiune Continua Softswitching cu Curent de Trecere Zero Zc Comandat de Microcontroler

Cuprins

Capitolul 1. Introducere

Capitolul 2. Componentele sistemului electric de propulsie

2.1 Bicicleta ca mijloc locomotie si componentele consumului de energie

2.2 Ponderea componentelor de putere in ciclism

2.3 Simulare in Matlab a fortelor ce actioneza asupra bicicletei

Capitolul 3. Motorului Electric si transmisia

3.1 Alegerea din catalog a componentelor necesare sistemului

Capitolul 4.

Principiile de funcționare a convertorului si analiza acestuia

4.1 Definiții

4.2 Stări de operare

Capitolul 5.

Capitolul 8.

8.1

8.2

Capitolul 9.

Capitolul 10. Conluzii

Bibliografie

Introducere

Aceasta lucrare contine studierea si realizarea practica a variatorului de tensiune continua SOFTSWITCHING cu curent de trecere zero ZC comandat de microcontroler (ZTC PWM DC-DC Converter) folosit pt modificarea turatiei motorului electric ce actioneaza bicicleta electrica.

Scopul lucrarii este realizarea unei actionari electrice a unui vehicul care este folosit petru a transporta o persoana.

Luand in considereare energia necesara pentru deplasare, cel mai usor de realizat este actionarea electrica a unei biciclete normale.

Pentru obtinerea a unor performante foarte bune este necesar reproiectarea fiecarei componente a sistemului de actionare. Aceste componte fiind:

– cadrul biciletei petru a putea transporta bateriile,si echiparea cu suspensii,amortizoare;

– fabricarea a unor baterii speciale, cu forma, si capacitate electrica adecvata;

– proiectarea unui motor si a unui variator de turatie (ZTC PWM DC-DC Converter)

– proiectarea unei transmisii si a unui reductor cat mai fiabil;

Aceste proiectari a elementelor sistemului necesita foarte mult timp si resurese materiale, de aceea pentru realizarea acestui proiect s-a luat in considerare resursele existente.

In final este realizat practic variatorului de tensiune continua SOFTSWITCHING cu curent de trecere zero ZC comandat de microcontroler (ZTC PWM DC-DC Converter) si programul pt functionarea acestuia.

Scopul personal in realizarea acestui proiect a fost realizarea unui variator de tensiune continua SOFTSWITCHING cu curent de trecere zero ZC comandat de microcontroler

Capitolul 2 Componentele sistemului electric de propulsie

– Masina de lucru (ML) este bicicleta;

– Transmisia face legatura intre motor si masina de lucru;

– Masina electrica de actionare (MEA) este cea care furnizeza la arbore energie mecanica absorbind energie electrica de la bateriile acumulatoare, invingind fortele rezistente care apar la arborele motorului;

– Variatorul de tensiune continua (motor controller) este cea care modifica parametrii energiei electrice cu ajutorul carora putem modifica intr-o plaja mare turatia, si putem efectua porniri opriri foarte economic. Motorul functionand cu ajutorul variatorului pe caracteristici mecanice artificiale.

– Elementele de siguranta (fuse) si control supravegheaza buna functionare a sistemului si in caz de avarie a unui element opreste instantaneu functionarea sistemului pentru a proteja celelalte elemente.

– cu ajutorul potentiometrului (speed control) putem regla turatia cum dorim iar in cazul franarii contactul de franare actioneza si deconecteaza motorul electric, si lasa sa functioneze franele mecanice.

Fiecare element este abordat in detaliu prin intermediul capitolului corespunzator.

2.1 Bicicleta ca mijloc locomotie si componentele consumului de energie in ciclism

Bicicleta contemporana de oras permite deplasari pe distante scurte si medii cu viteze 15 km/h, cu un efort mai mic decat in timpul mersului pe jos, jar la un efort usor sporit, vitezele medii pot creste pana la 18-20 km/h. Distante optime pentru folosirea bicletei este de 3 – 8 km.

Bicileta poate fi folosita ca mijloc de transport a marfurilor, exemplu tricicleta prevazuta cu container in fata sau in spate poate transporta fara dificultate pe drum drept sarcini de 50 – 200 kg cu viteze de 10 ..15 km/h. In conditii tansportului uznial se pot construi platforme de transport actionate cu pedale care sa se deplaseze cu viteze mici cu sarcini pana la 2 – 3 tone.

Prin cicloactionare un om poate dezvolta o putere de 0,2 .. 0.5 CP, (150-375 W)

Consumul util de putere N a ciclistului este dat de relatia:

2.1.1.

Unde:

R – rezistenta totala la deplasare [daN];

V – viteza de deplasare [m/s];

– Randamentul mecanic al bicicletei;

Fig.2.1.2

Ciclistul consuma intr-un ritm mediu de 5 ori mai putina energie (0.15 calorii/(g∙Km) decat un marsaluitor (0,75 calorii/(g∙Km). In fig. 2.1.2 eficienta diferitelor mijloace de transport masurata in pasageri transportati pe mila si galon de benzina consumata, din punct de vedere a consumul de energie net superioara este bicileta si electrobicileta.

Fig. 2.1.3

Nrr – puterea necesara invingerii rezistentei la rulare

Nrr=Rr∙V (2.1.4)

Rr – Rezistenta la rulare calculabila cu relatia

Rr=Kr∙G (2.1.5)

Kr – coeficietul de rezistenta la rulare

G – greutatea totala bicicleta + pasager

(2.1.6)

Dezaxarea e este datorita petei de contact a pneului cu solul si asimetriei presiunii pe aceasta pata, ca urmare a histerezisului cauciucului.

Fig. 2.1.7 Dezaxare

Rotile cu camere demontabile au anvelopele mai rezistente, mai usor reparabile dar in acelasi timp si mult mai grele. Deasemenea neadmitand decat o presiune moderata de 2..3 atmosfere, determnata o rezstenta la rulare mare, datorite unei pete de contact mari cu solul si a frecarilor corespunzatoare. Rotile cu anvelope si camere nedemontabile (baieuri) sunt mult mai usoare (greutatea unui baieu este de 0,100…0,300 daN fata de 0,8..1 daN la o anvelpa cu camera demontabila) si admit presiuni de 5…12 atmosfere cea ce asigura o rezistenta de rulare 2-3 ori mai mica.

Marimea petei de contact este data de presiunea pneurilor, cu cat presiunea este mai mare iar asimetria repartitiei presiunii este atat mai mica.

Pata de contact la baieuri este 2.5…3.5 cm2 , 10..12 cm2 la pneuri demontabile.

Puterea invingerii pantei este data de relatia:

Nrp=Rp∙V (2.1.8)

Rp este rezistenta datorita pantei, reprezentand componenta greutatii G a biciletei incarcate pe directia de mers.

RP=G∙sinα (2.1.9)

Puterea necesara invingerii rezistentei aerodinamice este data de relatia:

Nra=Ra∙V (2.1.10)

Ra rezistenta aerodinamica globala, determinabila prin expresia:

(2.1.11)

A – suprafata frontala, perpendiculara pe directia V de inaintare a biciletei si a ciclistului

Cx – coeficientrul de rezistenta de aerodinamic

ρ – densitatea aerului

(2.1.12)

(2.1.13)

aceasta componenta se mai numeste si „presiune dinamica”.

2.2 Ponderea componentelor de putere in ciclism

Ponderea celor trei componente de baza a consumului de putere cea necesara invingerii frecarilor in transmisiile mecanice, se tine sema prin valoarea subunitara a randamentuluimecanic.

Ponderea celor trei componente de baza este intens variabila in functie de doi factori de baza:

panta α a traseului;

viteza de deplasare V

Circa la 15 km/h rezistenta aerodinamica incepe sa depasesca pe cea de rulare, iar la viteze de 40-50 km/ora rezistenta aerodinamica va fi 90% si 10% cele de rulare. Acesta se datoreste cresterii rapide cu patratul vitezei a rezistentei aerodinamice si cu cubul vitezei a puterii necesare invingerii acesteia.

fig. 2..2.1 Ponderea puterilor consumate pt. deplasare

2.3 Simularea in Matlab Simulink a fortelor ce actioneza asupra bicicletei

Rezultate ale simularii:

Biciclist 80 kg Bicicleta complet echipata 60 kg. Rezultatele sunt calculate la axul rotii de rulare. Panta 0°

Fortele rezitente [N] in functie de viteza:

Km/h

Cuplu [Nm] in functie de viteza:

Km/h

Puterea necesara [W] functie de viteza de deplasare:

Km/h

Panta de 3°

Fortele rezitente [N] in functie de viteza:

Km/h

Cuplu [Nm] in functie de viteza:

Km/h

Puterea necesara [W] functie de viteza de deplasare:

Km/h

Capitolul 3

Motorul electric si transmisia

3.1 Alegerea din catalog a componentelor necesare

In functie de rezutatul simularii, petru a rula pe un drum fara panta cu o viteza de 18-20 km/h avem nevoie de o putere a motorului de 180 W. Pentru a avea pierderi in cupru mai cat mai mici alegem tensiunea de alimentare de 24V.

Alegem de la firma GOLDENMOTOR motorul de curent continu tip butuc „hub-motor”, in care este inclus si reductorul. Modelul JD-HUB-24.

Alegem o roata motoare cu cerc si spite, la diametrul de 26”

La turatia de 174 de rot/min (roata de 26” → diametru d=66 cm) viteza maxima va fi: Vmax=21 km/h

Curentul maxim absorbit de motor:

In=10.8 [A]

Puterea maxima absorbita:

Pabs=In∙Un=10,8 ∙24=259 W

Ca sursa de energie alegem doua baterii Ub=12V Cn=24Ah.

Capacitatea bateriei la consum maxim va fi conform formulei lui Peuker

Cx=18,6 Ah

Cx/Cn=64%

Timp de rulare la viteza si sarcina maxima aproximativ 100 minute.

Autonomia (distanta parcursa) va fi minim 35 km la o baterie complet incarcata.

– Variatorul de tensiune continua alegem modelul MC-BRD-24.

Are protectie la supracurent (Imax 14A)

Deconecteaza la tensiune scazuta (Umin 20.5 V).

– Alegem manere de frana tip SC-HP-24, in care este inclus si senzor hall pentru modificarea vitezei.

– Ca si accesorii mai echipam bicicleta cu lampa cu indicator de incarcare baterie, claxon electric si cu cheie de siguranta. Modelul LD-01.

– Legaturile intre componentele electrice le realizam cu cablajul tip EW-BR-01.

– Pentru incarcarea bateriilor alegem incarcatorul tip CG-LS-24.

Toate componentele pot fi cumparate de la firma GOLDEN MOTOR Luoyang,

Wujin City Jiangsu Province P.R.China 213104. www.goldenmotor.com

Capitolul 4

Variator de tensiune continua cu SOFTSWITCHING cu curent de trecere zero CZ petru aplicații cu comutație mare (ZCT PWM DC-DC Converter) comandat cu microcontroler

I . Introducere

Acest variator este un circuit cu rezonanță activă care elimină cel mai mult neajunsurile unui convertor cu modulare in latime de puls PWM-normal cu curent de comutatie zero. Acest circuit rezonant este recomandat pentru convertoare cu tranzistoare bipolare (IGBT) de putere și de nivel de frecvență mare.

Convertorul propus poate funcționa cu succes cu comutație soft in condiții de sarcina usoară la o frecvență considerabilă mare.

În continuare sunt prezentate principiile de funcționare, analiza stărilor, procedura de proiectare a ZCT-PWM convertor coborator implementat cu circuit rezonant.

Analiza teoretică este verificata cu o schema a convertorului coborâtor cu curent de trecere zero simulat in programul SIMCAD.

La 90% putere de ieșire, randamentul total a converotrului propus cu comutatie soft crește de la 91% cu comutație hard la până la 98% cu comutație soft.

Termeni specifici folosiți în această lucrare:

Active snubber cell circuit rezonant activ

Zero curent switching (ZCS) curent de comutație zero

Zero curent transition (ZCT) curent de trecere zero

Zero voltage switching (ZVS) tensiune de comutație zero

Zero voltage transition (ZVT) tensiune de trecere zero

fig.1 Variator de curent continu coborâtor cu tranzistor IGBT

Pentru a obține densitate de putere mare, si raspuns rapid in situații tranzitorii în bine cunoscuta variatoare cu modulatie in lățime de puls PWM, frecvența de comutație poate fi mărită cu scăderea pierderilor de comutație prin folosirea circuitelor rezonante.

In literatură sunt multe tipuri de astfel de circuite, ca RC/RCD, polarizat/nepolarizat, rezonant/nerezonant, active sau passive. In ultimii ani la convertoarele cu tensiune de trecere zero (ZVT) si cu curent de trecere zero (ZCT) sunt adăugate circuite rezonante active pentru a combina facilităție ambelor tehnici de modulare prin latime de puls (PWM) rezonant si normal.

În convertorul normal ZCT-PWM, comutația principală este perfect blocat sub curent de comutație zero (ZCS) si tensiune de comutație zero (ZVS) furnizat de ZCT cu rezonanță sene cunoscuta variatoare cu modulatie in lățime de puls PWM, frecvența de comutație poate fi mărită cu scăderea pierderilor de comutație prin folosirea circuitelor rezonante.

In literatură sunt multe tipuri de astfel de circuite, ca RC/RCD, polarizat/nepolarizat, rezonant/nerezonant, active sau passive. In ultimii ani la convertoarele cu tensiune de trecere zero (ZVT) si cu curent de trecere zero (ZCT) sunt adăugate circuite rezonante active pentru a combina facilităție ambelor tehnici de modulare prin latime de puls (PWM) rezonant si normal.

În convertorul normal ZCT-PWM, comutația principală este perfect blocat sub curent de comutație zero (ZCS) si tensiune de comutație zero (ZVS) furnizat de ZCT cu rezonanță serie. Comutația auxiliară este amorsat, cu aproape ZCS. Aceste operații sunt putin dependente de condițiile de linie si de incarcare. Pe de altă parte, ventilul principal este deschis și dioda principală este blocată simultan cu comutație hard, în felul acesta are loc un scurt circuit in același timp. Prevenirea acestui scurt circuit este foarte greu de realizat, cauzează pierderi si interferențe electromagnetice (EMI) zgomot de mare amplitudine.

De asemenea ventilul auxiliar este blocat tot prin comutație hard, si capacitățile parazite sunt descărcate prin ventilele proprii.

În zilele noastre sunt larg răspândite tranzistoare IGBT in dispozitivele de comutație in aplicațiile industriale de putere mare. Tranzistorul IGBT are putere de comutație mare, pierderi in conductie mici, preț redus, dar pierderi relativ mari de comutație. Pierderile la blocare sunt pierderile cele mai mari in raport cu pierderile totale a IGBT-ului.

Capitolul 5

II. Principiile de funcționare și analiza acestora

A. Definiții

Schema circuitului înbunătățit a variatorului coborator cu curent de tranzitie nero ZCT-PWM este prezentat in figura 1. Circuitul este compus dintr-o bobina rezonanta Lr si un condensator rezonant Cr, si un ventil principal S1 si un ventil auxiliar S2 care este un tranzistor IGBT impreuna cu dioda. Ventillul auxiliar are putere mai mica decat ventilul principal.

Pentru a simplifica analiza stărilor de comutație pe un singur ciclu de comutație, presupunem ca tensiunea de intrare și de ieșire și curentul de ieșire sunt constante, și semiconductoarele și circuitul rezonant sunt ideale fără pierderi.

fig.2 Scheme de circuit echivalente pentru fiecare stare a convertorului propus

B.Stări de operare

Șapte stări au loc intr-un singur ciclu de comutație la convertorul propus. Circuitele echivalente ale acestor stări sunt prezentate in figura 2 (a)-(g). formele de unda și strategia de comandă sunt prezentate in figura 3.

Fig.3 formele de undă și de comandă în convertor

Starea 1 [t0<t<t1:Fig 2(a)]

La începutul acestei stari tranzistorul principal T1 este in stare blocată (off). Dioda principală DF este in stare de conductie (on) și trece prin ea curentul de sarcină I0. In acest moment sunt valabile:

ii=0; iS1=0; iS2=0; iDF=I0 vCr=Vi

La t=t0, un semnal de comandă este aplicat pe grila tranzistorul principal T1 și curentul începe să treacă prin el. Panta de creștere a acestui curent este limitat de Lr. Pe durata acestei stări curentul prin T1 creste si curentul prin DF scade simultan si linear.

(1)

(2)

La t=t1, curentul prin T1 atinge valoarea I0 și curentul prin DF scade la zero și aceasta stare ia sfârșit.Intervalul de timp t01 a acestei stări este:

(3)

Din acest motiv curentul de incărcare I0 este comutat de pe DF pe T1 prin comutație soft. T1 este trecut în starea de conducție sub aproape curent zero de comutație (ZCS) prin Lr și DF este blocat prin tesniune zero de comutație (ZVS) datorată lui Cr.

Starea 2 [t1<t<t2:Fig 2(b)]

La t=t1, apare rezonantă între Lr si Cr prin circuitul Lr – T1 – D2 – Cr sub un curent constant I0.

De asemenea curentul initial prin Lr este I0. Aici dioda D2 trece în conducție aproape cu curent zero de comutație (ZCS) care trece prin Lr. Pentru această rezonanta:

(4)

(5)

(6)

(7)

Din aceste ecuații sunt valabile:

(8)

(9)

este frecvența unghiulară a rezonanței și IRM este valoarea de vârf a curentului de rezonanță. În timpul acestei stări, atât timp cât tensiunea Cr scade, tensiunea DF creste. Astfel dioda principală DF este blocat sub tensiune de comutație zero (ZVS).

La t=t2, curentul de rezonanță devine zero și această stare ia sfârșit. Curentul prin T1 scade din nou la I0, curentul prin D2 scade la zero și tensiune Cr devine –Vi in același timp. Dioda D2 este blocat sub aproape curent zero de comutație din cauza lui Lr. La sfârșitul acestei stări polaritatea tensiunii pe Cr este reversat. Intervalul de timp t12 acestei stări este:

(10)

Durata t12 a acestei stări este egal cu jumătate de ciclu de rezonantă tR/2.

Starea 3 [t2<t<t3:Fig 2(c)]

In această stare este starea de conductie a variatorului PWM

(11)

Starea 4 [t3<t<t4:Fig 2(d)]

La t=t3, este aplicat pe grila tranzistorului auxiliar T2 un semnal de comandă. Este deschis cu aproape ZCS curent zero de comutatie datorat lui Lr. Apare o rezonantă invesa între Lr si Cr pe calea Cr – T2 – T1- Lr la curent constant I0 în același timp.Pentru această stare se obțin următoarele ecuații.

(12)

(13)

(14)

La timpul t=t4 curentul prin T2 atinge I0 si curentul prin T1 scade la zero, iar acesta stare se termină. Durata acestei stări este de t34.

(15)

Starea 5 [t4<t<t5:Fig 2(e)]

Imediat după t=t4, dioda D1 intră în conducție aproape ZCS curent de comutație zero si rezonanță ce a început contiună prin T2 si D1. Astfel D1 conduce surprusul de curent rezonant de la curentul de încărcare I0. Pentru acest caz ecuațiile sunt:

(16)

(17)

(18)

La t=t5, curentul prin T2 scade din nou la I0 si curentul prin D1 devine zero, si aceasta stare se termină. D1 este blocat cu aproape curent zero de comutatie (ZCS) din cauza lui Lr. Durata acestui interval este:

(19)

Durata acestei stări este egală cu timpul ZCT tZCT a convertorlui. Numai acum trebuie întrerupt semnalul pe poarta tranzistorului principal T1, în care D1 este in stare de conductie în asa fel trazistorul principal este blocat perfect sub curent de comutație zero (ZCS) si (ZVS) și tensiune de comutație zero furnizat de (ZCT) curent de tranziție zero.

Starea 6 [t5<t<t6:Fig 2(f)]

În timpul acestei stări, condensatorul Cr este incărcat de VCr5 la tensiunea Vi cu un curent constant I0. La t=t6, tensiunea VCr pe Cr atinge Vi și curentul I0 este comutat de pe T2 pe DF cu comutație soft. Blocarea lui T2 și intrarea în conducție a lui DF se face natural, tensiune de comutație zero (ZVS). Pentru această situație se obțin ecuațiile:

(20)

(21)

(22)

După perioada de timp t6 semnalul de pe poartă T2 trebuie întrerupt.

Starea 7 [t6<t<t7=t0 :Fig 2(g)]

Acestă stare este starea de oprit a convertorului PWM.

In această situație

(23)

În t=t7 se termină un ciclu complet și începe un ciclu nou de comutație.

Proiectarea si simularea variatorului de curent continu cu circuit rezonant cu comutatie la curent zero CZ si a sistemului de acționare

Pornim de la datele sistemului de actioare

Motor folosit este unul de curent continu cu magneti permaneti, pentru care se proiecteaza variatorul de tensiune contiuna cu comutatie la curent zero.

-Date de pe placuta motorului:

in regim de generator

Tensiunea maxima 24V

Curent maxim 16A

-Date obtinute prin masurare

Ra=0.3 Ohm

-Transmisia

Este realzata reductor in doua trepte, treapta 1 cu curea,si treapta doi prin lant actionand roata vehicolului.

La tensiunea de alimentare de 24V turatia in gol atinge 1800 rot /min in sarcina nominala nnom este 1200-1500 rot/min.

Tensinuea de alimentare este furnizata de doua baterii de 12V 24 Ah legate in serie:

Vi=24 V

Curentul maxim absorbit de sarcina de scurta durata este:

I0max=20 A

Curentul maxim rezonant IRM:

Impedanta circuitului rezonant este:

Inductanta de rezonanta este:

Alegem condensatorul de rezonanta Cr

Alegem tranzistore cu timp de blocare mai mici de tf<500 ns

f= 32 kHz

II.2 Microcontroller-ul

II.2.1 Ce este un microcontroller?

La modul general un controler ("controller" – un termen de origine anglo-saxonă, cu un domeniu de cuprindere foarte larg) este, actualmente, o structură electronică destinată controlului unui proces sau, mai general, unei interacțiuni caracteristice cu mediul exterior, fără să fie necesară intervenția operatorului uman.

Primele controlere au fost realizate în tehnologii pur analogice, folosind componente electronice discrete și/sau componente electromecanice (de exemplu relee). Cele care fac apel la tehnica numerică modernă au fost realizate inițial pe baza logicii cablate (cu circuite integrate numerice standard SSI și MSI ) și a unei electronici analogice uneori complexe, motiv pentru care "străluceau" prin dimensiuni mari, consum energetic pe măsură și, nu de puține ori, o fiabilitate care lăsa de dorit.

Apariția și utilizarea microprocesoarelor de uz general a dus la o reducere consistentă a costurilor, dimensiunilor, consumului și o îmbunătățire a fiabilității. Există și la ora actuală o serie de astfel de controlere de calitate, realizate în jurul unor microprocesoare de uz general cum ar fi Z80 (Zilog), 8086/8088 (Intel), 6809 (Motorola), etc.

O definiție, cu un sens foarte larg de cuprindere, ar fi aceea că un microcontroler este un microcircuit care incorporează o unitate centrală (CPU) și o memorie împreună cu resurse care-i permit interacțiunea cu mediul exterior.

Microcontrolerul diferă de un microprocesor în multe feluri. În primul rând și cel mai important este funcționalitatea sa. Pentru a fi folosit, unui microprocesor trebuie să i se adauge alte componente ca memorie, sau componente pentru primirea și trimiterea de date. Pe scurt, aceasta înseamnă că microprocesorul este inima computerului

Microcontroller [3]

Pe de altă parte, microcontrolerul este proiectat să fie toate acestea într-unul singur. Nu sunt necesare alte componente externe pentru aplicarea sa pentru că toate perifericele necesare sunt deja incluse în el.

II.2.2 Tehnologii de fabricație

Practic cea mai mare parte a microcontrolerelor se realizează la ora actuală în tehnologie CMOS (tehnologii similare seriilor standard CMOS de circuite numerice HC, AC, ALV).Se pot realiza astfel structuri cu un consum redus (care depinde de frecvența de lucru) permițând eventual alimentarea de la baterie.

Logica internă este statică (total, sau în cea mai mare parte) permițând astfel, în anumite condiții, micșorarea frecvenței de ceas sau chiar oprirea ceasului în ideea optimizării consumului.Tehnologia este caracterizată și de o imunitate mai mare la perturbații, esențială într-un mare număr de aplicații specifice.Se realizează și variante pentru domeniu extins al temperaturii de funcționare (de exemplu –40… +85 °C).

Structura interna a unui microcontroller [3]

Există diverse variante de încapsulare (plastic și mai rar ceramică), multe destinate montării pe suprafață (SMT) : DIP (de la 8 la 68 pini), SOIC, PLCC, PQFP, TQFP (> 100 pini).

II.2.3 Arhitectura unui microcontroler

Arhitectura unității centrale de calcul (CPU) este unul din elementele cele mai importante care trebuie avut în vedere în analiza oricărui sistem de calcul. Principalele concepte luate în considerare și întâlnite aici sunt următoarele:

Arhitecturi de tip " Harvard "

La această arhitectură există spații de memorie separate pentru program și date. În consecință ar trebui să existe și magistrale separate (de adrese și date) pentru codul instrucțiunilor și respectiv pentru date.

CISC

Aproape toate microcontrolerele au la baza realizării CPU conceptul CISC (Complex Instruction Set Computer). Aceasta înseamnă un set uzual de peste 80 instrucțiuni, multe din ele foarte puternice și specializate.

RISC

RISC (Reduced Instruction Set Computer) este un concept de realizare a CPU care a început să fie utilizat cu succes de ceva timp și la realizarea microcontrolerelor. Prin implementarea unui set redus de instrucțiuni care se pot executa foarte rapid și eficient, se obține o reducere a complexității microcircuitului, suprafața disponibilizată putând fi utilizată în alte scopuri.

II.2.4 Limbaje de programare

Limbajul mașină (instrucțiunile mașină) este singura formă de reprezentare a informației pe care un microcontroler o "înțelege" (ca de altfel orice alt sistem de calcul !). Din păcate această formă de reprezentare a informației este total nepractică pentru un programator, care va utiliza cel puțin un limbaj de asamblare, în care o instrucțiune (o mnemonică cu operanzii aferenți) are drept corespondent o instrucțiune în limbaj mașină (excepție fac macroinstrucțiunile disponibile la unele asambloare).

Un program în limbaj de asamblare este rapid și compact. Aceasta nu înseamnă că un astfel de program, prost scris, nu poate fi lent și de mari dimensiuni, programatorul având controlul total (și responsabilitatea !) pentru execuția programului și gestiunea resurselor. Limbajul de asamblare este primul care trebuie învățat, chiar sumar, atunci când dorim să proiectăm o aplicație hard/soft cu un anume microcontroler (familie), el permițând înțelegerea arhitecturii acestuia și utilizarea ei eficientă.

Interpretare

Un interpretor este o implementare a unui limbaj de nivel înalt, mai apropiat de limbajul natural. Este de fapt un program rezident care, în acest caz, rulează pe o platformă de calcul de tip microcontroler. Caracteristic pentru execuția unui program interpretat, este citirea și executarea secvențială a instrucțiunilor (instrucțiune cu instrucțiune). De fapt fiecare instrucțiune de nivel înalt este interpretată într-o secvență de instrucțiuni mașină care se execută imediat.

Compilatoare

Un compilator combină ușurința în programare oferită de un interpretor (de fapt de limbajul de nivel înalt) cu o viteză mai mare de execuție a codului. Pentru aceasta programul, în limbaj de nivel înalt, este translatat (tradus) direct în limbaj mașină sau în limbaj de asamblare (urmând a fi apoi asamblat). Codul mașină rezultat are dimensiuni relativ mari (dar mai mici decât cel interpretat) și este executat direct, ca un tot, de microcontroler.

Diagrama de lucru a unui compilator multi-limbaj [20]

De regulă codul generat poate fi optimizat fie ca dimensiune, fie ca timp de execuție. Se pot enumera compilatoare pentru limbajele: C, BASIC, Pascal, PL/M (Intel), Forth.

Capitolul X

Sistemul de comunicare pe magistrala 1-Wire

1-Wire este un protocol de comunicare Bus System proiectat de Dallas Semiconductor Corp. , care transfera date cu viteza redusa, semnale, precum și transfera si putere printr-un singur semnal pe un singur fir.

1-Wire este similar în concept ca si la I²C , dar cu rate mai mici de transfer si cu o raza de actiune mai mare. Acest protocol este folosit pentru a comunica cu mici dispozitive ieftine , cum ar fi termometre digitale și instrumente meteorologice. O rețea de dispozitive de 1-Wire contine un Dispozitiv Master asociat cu alte dispositive Slave. Aceasta retea se numește MicroLAN.

O caracteristică distinctivă a Magistralei este ca se utilizeaza doar două fire: date și masa. Pentru a realiza acest lucru, dispozitive 1-Wire includ un condensator de 800 pF pentru stocarea energiei, este folosit pt alimentarea dispozitivului în timpul perioadelor când linia de date este activ.

Dispozitivele 1-Wire au functii diferite. Dispozitive 1-Wire sunt disponibile ca elemente unice în forma de circuit integrat și cu capsulare TO92 de exemplu sau în unele cazuri intr-o formă portabilă numit un iButton care seamănă cu o baterie de ceas . Producătorii de asemenea, produc dispozitive mai complexe decât o singură componentă care folosesc BUS-ul 1-Wire pentru a comunica.

Dispozitivele 1-Wire pot fi una din mai multe componente de pe placă circuitului electronic într-un produs sau poate fi o singura componenta într-un dispozitiv cum ar fi o sondă de temperatură, sau pot fi atașate mai multe dispozitive la un dispozitiv de monitorizare.

Unele sisteme de laborator sau sisteme de achiziție de date și control se pot conecta la dispozitive 1-Wire utilizand cabluri cu conectori modulare sau cu cablu CAT-5. Dispozitivele pot fi montate în soclu cu priză sau încorporate într-un mic PCB, sau atașat la obiectul monitorizat.

În astfel de sisteme sunt populare RJ11 (6P2C 6P4C sau socluri modulare , utilizate în mod obișnuit pentru telefoane).

Sisteme de senzori și actuatori pot fi construite prin conectarea împreună a componentelor prin magistrala 1-Wire. Fiecare componentă conține toata logica necesare pentru a opera pe Magistrala 1-Wire.

Exemple: senzori de temperatură, cronometre, senzori de tensiune, monitorizare de baterii, si memorii. Acestea pot fi conectate la un PC cu ajutorul unui BUS convertor. USB , RS-232 serial sau de port parallel, interfețele care sunt soluții populare pentru conectarea MicroLAN la PC gazdă.

Dispozitive 1-Wire pot fi de asemenea conectate la microcontrolere de la diferite furnizori.

Java Ring

IButton (de asemenea, cunoscut sub numele de Key Dallas) este un standard de capsulare care plasează o componentă de 1-Wire în interiorul unei capsule din oțel inoxidabil "butonul", care este similar cu o baterie de ceas în formă de disc.

iButton "Smart ticket" Istambul

iButton sunt conectate la sistemele de BUS 1 Wire prin prize cu contacte care ating de "capacul" și "de bază" capsulei sau conexiunea poate fi realizata si semi-permanenta cu o priză.

Java Ring este un iButton montat pe un inel compatibil cu Java Virtual Machine si cu Java Card 2.0 care a fost dat la participanții la Conferinta JavaOne din 1998.

Fiecare cip 1-Wire are un cod ID unic. Această caracteristică face ca chipurile, în special în cadrul unui pachet iButton, este adecvat pentru utilizare ca o cheie pentru a deschide o încuietoare, sau pt dezactiva alarme antiefractie,sau autentificarea utilizatorilor in sistemul de calcul, Pot opera ca sisteme de ceas etc.

iButtons au fost utilizate in Turcia la bilete inteligente pentru transportul public in comun .

Utilizarea BUS 1 Wire

În orice MicroLAN , există întotdeauna un Master responsabil general, care poate fi un PC sau un microcontroler. Masterul inițiază activitatea pe BUS, evita coliziunile pe BUS. Sunt construite protocoale în software-ul pentru a detecta coliziuni. După o coliziune, Masterul reîncearcă comunicarea necesară.

Multe dispozitive pot partaja același BUS. Fiecare dispozitiv pe BUS are un număr serial unic de 64 de biți. Byte-ul cel mai puțin semnificativ al numărului serial este un număr de 8 biți care spune tipul dispozitivului. Cel mai semnificativ octet este un standard (pentru BUS 1-Wire) 8 biți CRC.

Există mai multe comenzi standard transmise pe BUS, precum comenzi utilizate pentru a aborda un dispozitiv special. Masterul poate trimite o comandă de selecție, apoi adresa unui anumit dispozitiv. Următoarea comandă este executată numai de dispozitivul adresat.

Protocolul de enumerate 1-wire a Magistralaui (descris mai târziu), ca și alte protocoale, este un algoritm, Masterul este folosit pentru a citi adresa fiecarui dispozitiv de pe BUS. Deoarece adresa include tipul aparatului și o informatie CRC, citirea registrului adresa produce, de asemenea, un inventar a dispozitivelor de pe BUS. Spațiul de adrese pe 64 de biți este cautat ca un arbore binar, permițând găsirea până la 75 dispozitive pe secundă.

Rețeaua 1-Wire Dallas este implementat fizic ca un colector deschis. Un dispozitiv master conectat la Slave, care pot fi unul sau mai multe cu colectoare deschise. Un singur rezistor pull-up este comun pentru toate dispozitivele și acționează pentru a ridica cu Magistrala până la 3 sau 5 volți , și poate furniza puterea pt dispozitivelor Slave. Comunicare se produce atunci când un master sau slave afirmă valoare BUS scăzut, adică leagă resistor-ul la masa prin MOSFET-ul de ieșire. De asemenea sunt disponibile cipuri 1-Wire Driver și Brige specifice.

Rate de date de 16,3 kbit / s poate fi atins. Există, de asemenea, un mod de overdrive care accelerează comunicarea cu un factor de 10.

Capitolul x

Placa de dezvoltare EvB 5.1 cu microcontroler ATMEGA 644P

EVB 5.1 este o placa de dezvoltare ce se bazează pe două tipuri de microcontrolere populare de la firma Atmel, ATMega16 și ATmega32.

Placa este echipat cu un număr mare de elemente periferice care sunt conectate la PINI de pe placa. Acesti pini permit utilizatorului să poata sa puna în aplicare rapidă a oricărui proiect fără a fi nevoie pentru a construi o placa PCB de la 0. Totii pinii sunt etichetate, asezate in apropiere microcontrolerului facilitand conectarea usoara si rapida a perifericelor.

KIT-ul EVB 5.1 a fost creat atat pentru utilizatorii fara experiență, cei care face primii pași în lumea microprocesoarelor dar si pentru programatori profesionisti care caută o platformă universală pentru proiectele lor.

Versiunile anterioare ale placii de dezvotare EvB4.3 au fost aplicate cu succes pentru un număr mare de proiecte majore la universități poloneze. În prezent placile sunt utilizate la universitățile din regiunea Silezia.

Conectarea la calculator a placii de dezvoltare:

Comunicarea placii de dezvoltare EVB 5.1 cu PC-ul a fost conceput pentru a utiliza un USB-UART convertor FT232RL (un port COM virtual). Sistem FT232RL este conectat la linii procesorului TXD și RXD. Pe PC se instaleaza un driver de port COM virtual disponibil la adresa:

http://www.ftdichip.com/Drivers/VCP.htm

Perifericele folosite:

Microcontroler ATMEGA 644P

Potentiometru

Afisaj LCD 2×16 HD44780 Hitachi

Sensor temperatura 1-Wire Dallas DS18B20

Motor curent continu cu magneti permaneti

Alimentator de la 220V la 12V 19,8W

38,4 Ohm

1170 Ohm

–

– Microcontroler ATMEGA644P

Potentiometru

Potentiometrul este folosit pt reglarea turatiei motorului de curent contiu cu magneti permanenti.

Pt citirea valorii potentimetrului trebuie inplementat conversia Analog-Numerica ADC

Sunt utilizate in proiect program sursa adc.c si header Adc.h

Potentiometrul fizic este legat POT 1 (pin 2) la pinul PA6 a microcontrolerului

in Anexa Se gaseste conversia ADC

Afisaj LCD 2×16 HD44780 Hitachi

Descriere

Ecranul cu cristale lichide HD44780U comandat de controlerul LSI afișează caractere alfanumerice,chiar si caractere japoneze, și simboluri.

Acesta poate fi configurat pentru a comanda un ecran cu cristale lichide cu matrice de puncte controlat de un microprocesor 4- sau 8-biți.

Un sistem minimal poate fi conectat cu acest controler / driver deoarece toate functiile, cum ar fi RAM ecran, generator de caracter, și drivere-ul ecranului cristale lichide necesare pentru comanda unui afișaj cu cristale lichide dot-matrix sunt capsulate pe un singur cip

Un singur HD44780U poate afișa până la 2 linii de 16 caractere.

Sursa de alimentare scăzută (2.7V la 5.5V) a HD44780U este potrivit pentru orice echipament portabil alimentat de la baterie are consumul foarte redus de energie.

Caracteristici

5×8 și 5×10 matrice de puncte sunt posibile

Tensiune scazuta de alimentare de la 2.7 la 5.5V

Gama larga de alimentare a driverului de afișare de la 3.0 la 11V

interfata de 4-bit sau interfață MPU pe 8 biți

80×8-bit RAM afișaj (maxim 80 de caractere.)

9,920-bit ROM generator caractere pentru un total de 240 de fonturi de caractere

208 fonturi caractere (5×8 puncte)

32 fonturi de caractere (5×10 de puncte)

· Generator de caractere de 64 "8-bit RAM

¾ 8 fonturi de caractere (5 '8 puncte)

¾ 4 fonturi de caractere (5 '10 de puncte)

– Driverul de afișare cu cristale lichide 16 comune "40 segmente

· Ciclurilor de funcționare programabile

– 1/8 pentru o linie de 5×8 puncte cu cursor

– 1/11 de o linie de 5×10 punctele cu cursorul

– 1/16 pentru două linii de 5×8 puncte cu cursor

– Gamă largă de funcții instructiuni:

stergere afișaj, cursor acasă, afișare on / off, cursorul on / off, afișarea caracter clipire, schimbare cursor,schimbare mod de afișare.

– Compatibilitate pini cu HD44780S

– Circuit automat de resetare care inițializează controler / driver după alimentare

– Oscilator intern cu rezistențe externe

– Consum redus de energie

Capitolul Anexa Program

*

*

*

* Created: 30 05 2015

*

* Description: PWM Termometru ADC Potentiomentru

*/

#include <avr/io.h>

#include <util/delay.h>

#include <stdio.h>

#include "types.h"

#include "dallas_one_wire.h"

#include "hd44780.h"

#include "crc8.h"

#include "adc.h"

#include "pwm.h"

#define Delay_ns(__ns) \

if((unsigned long) (F_CPU/1000000000.0 * __ns) != F_CPU/1000000000.0 * __ns)\

__builtin_avr_delay_cycles((unsigned long) ( F_CPU/1000000000.0 * __ns)+1);\

else __builtin_avr_delay_cycles((unsigned long) ( F_CPU/1000000000.0 * __ns))

#define Delay_us(__us) \

if((unsigned long) (F_CPU/1000000.0 * __us) != F_CPU/1000000.0 * __us)\

__builtin_avr_delay_cycles((unsigned long) ( F_CPU/1000000.0 * __us)+1);\

else __builtin_avr_delay_cycles((unsigned long) ( F_CPU/1000000.0 * __us))

#define Delay_ms(__ms) \

if((unsigned long) (F_CPU/1000.0 * __ms) != F_CPU/1000.0 * __ms)\

__builtin_avr_delay_cycles((unsigned long) ( F_CPU/1000.0 * __ms)+1);\

else __builtin_avr_delay_cycles((unsigned long) ( F_CPU/1000.0 * __ms))

#define Delay_s(__s) \

if((unsigned long) (F_CPU/1.0 * __s) != F_CPU/1.0 * __s)\

__builtin_avr_delay_cycles((unsigned long) ( F_CPU/1.0 * __s)+1);\

else __builtin_avr_delay_cycles((unsigned long) ( F_CPU/1.0 * __s))

int main(void)

{

InitADC();

PWM_Init();

PWM_Start();

lcd_init();

// Afisare Versiune / Autor Program

lcd_goto(0); //randul 1

lcd_puts("Variator MCC PWM");

lcd_goto(0x40); //randul 2

lcd_puts("DC-DC V.01.14");

Delay_s(3);

lcd_goto(0); //randul 1

lcd_puts(" ");

// *******************************

uint8_t buffer[9];

uint8_t ok;

uint16_t measure;

uint8_t subzero;

uint8_t temp_int;

uint16_t temp_fract;

uint8_t j;

uint8_t DutyA;

uint8_t DutyB;

DutyA=0;

DutyB=0;

uint8_t DutyAinitial;

uint8_t DutyBinitial;

uint8_t DutyAPozitie;

uint8_t DutyAProcent;

uint8_t DutyBProcent;

uint8_t DutyAPozitieProcent;

DutyAPozitie=0;

DutyAinitial=0;

DutyBinitial=0;

j=0;

void termometru(void)

{

ok=dallas_reset();// Reset magistrala 1-wire

if(!ok)

{

//Afisare lipsa senzor temperatura

lcd_goto(0x40);

lcd_puts("Lipsa Termomentru");

Delay_s(1);

}

dallas_write_byte(SKIP_ROM_COMMAND);//omisiune a verifica id-ul din ROM.

dallas_write_byte(CONVERT_T_COMMAND); //Converteste temperatura

_delay_ms(750);// asteptare 750ms pt conversie

dallas_reset();//reset magistrala 1-wire

dallas_write_byte(SKIP_ROM_COMMAND);//omisiune a verifica numarul ROM dvs.

dallas_write_byte(READ_SCRATCHPAD_COMMAND);//vom angaja date citit

dallas_read_buffer(buffer,9);//Citim datele din termometrul

if(buffer[8]!=crc8(buffer,8))

{

//verifica suma citit kontrol CRC

lcd_goto(0x40);

lcd_puts(" CRC8 ERROR ");

}

measure=(uint16_t)buffer[0]+(((uint16_t)buffer[1])<<8);// 2 bytes de date temperatura

if(measure&0x8000)

{

// daca rezultatul este negativ se stocheaza informatii despre caracterul si converteste numarul de cod de pe o U2 pozitiv

subzero=1;

measure ^= 0xFFFF;

measure += 1;

}

else

{

subzero=0;

}

//împartiti numarul de pe partea întreaga

temp_int=measure>>4;

temp_fract=(measure&0x000F)*625;

if (temp_int<33)

{

lcd_goto(0x40);

lcd_puts("Tmp-Mot=");

if(subzero)

{

lcd_puts("-");

}

else

{

lcd_puts("+");

}

sprintf((char*)buffer,"%03d.%04d",temp_int,temp_fract);

lcd_puts((char*)buffer);

lcd_puts("C ");

}

else

{

lcd_goto(0x40);

lcd_puts("TEMP MOTOR MARE!");

}

}

// *************************************************************************************

while(1)

{

if (j>=30)

{

termometru();

j=0;

}

ADC_SetChannel(6);

StartConversion(); // Start citire potentiometru

while (IsConversionReady() == 0);

DutyAinitial=DutyA;

DutyA=GetConversion();

if (DutyA>DutyAinitial)

{

DutyAPozitie=DutyA;

DutyAinitial=DutyAinitial++;

PWM_SetDutyA(DutyAinitial);

DutyA=DutyAinitial;

}

if (DutyA<DutyAinitial)

{

DutyAPozitie=DutyA;

DutyAinitial=DutyAinitial–;

PWM_SetDutyA(DutyAinitial);

DutyA=DutyAinitial;

}

ADC_SetChannel(7);

StartConversion(); // Start citire potentiometru

while (IsConversionReady() == 0);

DutyBinitial=DutyB;

DutyB=GetConversion();

PWM_SetDutyB(DutyB);

DutyAPozitieProcent=(DutyAPozitie*100)/255;

DutyAProcent=(DutyA*100)/255;

DutyBProcent=(DutyB*100)/255;

sprintf((char*)buffer,"Viteza %03d < %03d",DutyAPozitieProcent,DutyAProcent);

lcd_goto(0); //randul 1

lcd_puts((char*)buffer);

j=j++;

}

}

PWM

#include <avr/io.h>

#include "types.h"

// TCCR0A register defines

/// COM0A 1..0

#define PWM_OC2A_DISCONN ((u8)0x00)

#define PWM_OC2A_TOGGLE ((u8)0x40)

#define PWM_OC2A_CLEAR ((u8)0x80)

#define PWM_OC2A_SET ((u8)0xC0)

/// COM0B 1..0

#define PWM_OC2B_DISCONN ((u8)0x00)

#define PWM_OC2B_TOGGLE ((u8)0x10)

#define PWM_OC2B_CLEAR ((u8)0x20)

#define PWM_OC2B_SET ((u8)0x30)

// WGM0 1..0

#define PWM_WGM_NORMAL ((u8)0x00)

#define PWM_WGM_PWM_PHS_CORR ((u8)0x01)

#define PWM_WGM_CTC ((u8)0x02)

#define PWM_WGM_PWM_FAST ((u8)0x03)

// TCCR0B register defines

// FOC0A and FOC0B

#define PWM_FORCE_OUTP_CMP_A ((u8)0x80)

#define PWM_FORCE_OUTP_CMP_B ((u8)0x40)

// WGM2 bit 2

#define PWM_WGM_PWM_TOP_OCRA ((u8)0x08)

// CS 2..0

#define PWM_NO_CLOCK ((u8)0x00)

#define PWM_NO_PRESC ((u8)0x01)

#define PWM_PRESC_8 ((u8)0x02)

#define PWM_PRESC_64 ((u8)0x03)

#define PWM_PRESC_256 ((u8)0x04)

#define PWM_PRESC_1024 ((u8)0x05)

#define PWM_EXT_FALLING ((u8)0x06)

#define PWM_EXT_RISING ((u8)0x07)

// Timer/Counter interrupt bits for TIMSK0 and TIFR0 registers

#define PWM_OVFL_INT ((u8)0x01)

#define PWM_OC_A_INT ((u8)0x02)

#define PWM_OC_B_INT ((u8)0x04)

void PWM_Init(void)

{

DDRD |= 0xC0;

TCCR2A =0b10100001;

// PWM_OC2A_SET | PWM_OC2B_SET | PWM_WGM_PWM_PHS_CORR // PWM_WGM_PWM_FAST;

TIMSK2 = 0x00;

OCR2A = 0x00;

OCR2B = 0x00;

TCCR2B = 0x00;

}

void PWM_Start(void)

{

TCCR2B |= PWM_NO_PRESC; // PWM_PRESC_1024;

}

void PWM_SetDutyA(u8 val)

{

OCR2A = val;

}

void PWM_SetDutyB(u8 val)

{

OCR2B = val;

}

Setari LCD pt legaturie realizate pe placa de achizitie

#ifndef HD44780_SETTINGS_H

#define HD44780_SETTINGS_H

// #define F_CPU 16000000 // Set Clock Frequency

#define USE_ADELAY_LIBRARY 0 // Set to 1 to use my ADELAY library, 0 to use internal delay functions

#define LCD_BITS 4 // 4 for 4 Bit I/O Mode, 8 for 8 Bit I/O Mode

#define RW_LINE_IMPLEMENTED 1 // 0 for no RW line (RW on LCD tied to ground), 1 for RW line present

#define WAIT_MODE 1 // 0=Use Delay Method (Faster if running <10Mhz)

// 1=Use Check Busy Flag (Faster if running >10Mhz) ***Requires RW Line***

#define DELAY_RESET 30 // in mS

//////

#define LCD_DB4_PORT PORTC // If using 4 bit omde, you must configure DB4-DB7

#define LCD_DB4_PIN 4

#define LCD_DB5_PORT PORTC

#define LCD_DB5_PIN 5

#define LCD_DB6_PORT PORTC

#define LCD_DB6_PIN 6

#define LCD_DB7_PORT PORTC

#define LCD_DB7_PIN 7

#define LCD_RS_PORT PORTC // Port for RS line

#define LCD_RS_PIN 2 // Pin for RS line

#define LCD_RW_PORT PORTC // Port for RW line (ONLY used if RW_LINE_IMPLEMENTED=1)

#define LCD_RW_PIN 1 // Pin for RW line (ONLY used if RW_LINE_IMPLEMENTED=1)

#define LCD_DISPLAYS 1 // Up to 4 LCD displays can be used at one time

// All pins are shared between displays except for the E

// pin which each display will have its own

// Display 1 Settings – if you only have 1 display, YOU MUST SET THESE

#define LCD_DISPLAY_LINES 2 // Number of Lines, Only Used for Set I/O Mode Command

#define LCD_E_PORT PORTC // Port for E line

#define LCD_E_PIN 3 // Pin for E line

#endif

#endif

Capitoul X

Schema electrica a placii de dezvotare

Bibliografie

Bibliografie